Procédé de liquéfaction de gaz naturel avec circulation améliorée d’un courant réfrigérant mixte Natural gas liquefaction process with improved circulation of a mixed refrigerant stream
La présente invention concerne un procédé de liquéfaction d’un courant The present invention relates to a process for liquefying a stream
d’hydrocarbures, tel que le gaz naturel, ledit procédé mettant en œuvre un courant réfrigérant mixte diphasique qui se vaporise contre le courant d’hydrocarbures à liquéfier dans un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes. of hydrocarbons, such as natural gas, said process employing a mixed two-phase refrigerant stream which vaporizes against the stream of hydrocarbons to be liquefied in a plate-and-fin type heat exchanger.
Il est souhaitable de liquéfier le gaz naturel pour un certain nombre de raisons. A titre d’exemple, le gaz naturel peut être stocké et transporté sur de longues distances plus facilement à l’état liquide qu’à l’état gazeux, car il occupe un volume plus petit pour une masse donnée et pas besoin d’être stocké à une pression élevée. It is desirable to liquefy natural gas for a number of reasons. As an example, natural gas can be stored and transported over long distances more easily in the liquid state than in the gaseous state, because it occupies a smaller volume for a given mass and no need to be stored at high pressure.
Il existe plusieurs méthodes de liquéfaction d’un courant de gaz naturel pour obtenir du gaz naturel liquéfié (GNL). Typiquement, un courant réfrigérant, généralement un mélange à plusieurs constituants, tel qu’un mélange contenant des hydrocarbures, est comprimé par un compresseur puis introduit dans un échangeur où il est totalement liquéfié et sous-refroidi jusqu’à la température la plus froide du procédé, typiquement celle du courant de gaz naturel liquéfié. A la sortie la plus froide de l’échangeur, le courant réfrigérant est détendu en formant une phase liquide et une phase gazeuse. Ces deux phases sont remélangées et réintroduites dans There are several methods of liquefying a stream of natural gas to obtain liquefied natural gas (LNG). Typically, a refrigerant stream, generally a mixture of several constituents, such as a mixture containing hydrocarbons, is compressed by a compressor and then introduced into an exchanger where it is completely liquefied and sub-cooled to the coldest temperature of the process, typically that of the stream of liquefied natural gas. At the coldest outlet of the exchanger, the refrigerant stream is expanded, forming a liquid phase and a gas phase. These two phases are remixed and reintroduced into
l’échangeur. Le courant réfrigérant introduit à l’état diphasique dans l’échangeur y est vaporisé contre le courant d’hydrocarbures qui se liquéfie. Les documents WO-A- 2017081374 et US2007-A-0227185 décrivent de telles méthodes connues. the exchanger. The refrigerant stream introduced in the two-phase state into the exchanger is vaporized there against the stream of hydrocarbons which liquefies. Documents WO-A-2017081374 and US2007-A-0227185 describe such known methods.
L’utilisation d’échangeurs en aluminium à plaques et ailettes brasés permet d’obtenir des dispositifs très compacts offrant une grande surface d’échange, ce qui améliore les performances énergétiques du procédé de liquéfaction décrit ci-dessus. The use of aluminum brazed plate and fin heat exchangers results in very compact devices offering a large exchange surface area, which improves the energy performance of the liquefaction process described above.
Ces échangeurs comprennent un empilement de plaques qui s’étendent suivant deux dimensions, longueur et largeur, constituant ainsi un empilement de plusieurs séries de passages, les uns étant destinés à la circulation d’un fluide calorigène, en l’occurrence le courant d’hydrocarbures à liquéfier, d’autres étant destinés à la circulation d’un fluide frigorigène, en l’occurrence le courant réfrigérant diphasique à vaporiser. These exchangers comprise a stack of plates which extend in two dimensions, length and width, thus constituting a stack of several series of passages, some being intended for the circulation of a circulating fluid, in this case the current of hydrocarbons to be liquefied, others being intended for the circulation of a refrigerant, in this case the two-phase refrigerant stream to be vaporized.
Des structures d’échange thermique, telles des ondes d’échange thermique, sont généralement disposées dans les passages de l’échangeur. Ces structures
comprennent des ailettes qui s’étendent entre les plaques de l’échangeur et permettent d’augmenter la surface d’échange thermique de l’échangeur. Heat exchange structures, such as heat exchange waves, are generally placed in the passages of the exchanger. These structures comprise fins which extend between the plates of the exchanger and make it possible to increase the heat exchange surface of the exchanger.
Classiquement, ces structures d’échange thermique présentent des propriétés et des structures uniformes le long des passages de l’échangeur. Conventionally, these heat exchange structures exhibit uniform properties and structures along the passages of the exchanger.
Il continue néanmoins de se poser certains problèmes avec les méthodes de liquéfaction connues, notamment à cause de la composition diphasique du courant réfrigérant réintroduit dans l’échangeur et en particulier lorsque sa vaporisation a lieu en écoulement vertical ascendant. However, certain problems continue to arise with known liquefaction methods, in particular because of the two-phase composition of the refrigerant stream reintroduced into the exchanger and in particular when its vaporization takes place in an upward vertical flow.
En effet, le courant réfrigérant diphasique est introduit au bout froid de l’échangeur, c’est-à-dire l’extrémité où un fluide est introduit à la température est la plus basse des températures de l’échangeur, située à l’extrémité inférieure de l’échangeur. Le taux de vaporisation partielle (« flash » en anglais) y est très faible. A mesure que le courant réfrigérant s’écoule dans les passages de l’échangeur vers l’extrémité supérieure formant le bout chaud, le taux de vaporisation partielle, et donc la quantité de gaz contenue dans le courant réfrigérant, augmente. Indeed, the two-phase refrigerant current is introduced at the cold end of the exchanger, that is to say the end where a fluid is introduced at the temperature is the lowest of the temperatures of the exchanger, located at the lower end of the exchanger. The partial vaporization rate (“flash” in English) is very low. As the refrigerant stream flows through the passages of the exchanger to the upper end forming the hot end, the rate of partial vaporization, and therefore the amount of gas contained in the refrigerant stream, increases.
Or, la présence de gaz est nécessaire à l’entraînement de la phase liquide du courant réfrigérant afin de compenser l’effet de la gravité. Comme la quantité de gaz est plus faible au bout froid de l’échangeur, l’entraînement du liquide par le gaz y est plus difficile. La vitesse d’écoulement du courant réfrigérant est donc plus faible au bout froid puis augmente en direction de l’extrémité supérieure de l’échangeur, au fur et à mesure que le courant réfrigérant est vaporisé. Il s’ensuit une distribution inhomogène du courant réfrigérant dans la longueur de l’échangeur. However, the presence of gas is necessary to entrain the liquid phase of the refrigerant stream in order to compensate for the effect of gravity. As the quantity of gas is lower at the cold end of the exchanger, the entrainment of the liquid by the gas is more difficult there. The flow speed of the refrigerant stream is therefore lower at the cold end and then increases towards the upper end of the exchanger, as the refrigerant stream is vaporized. This results in an inhomogeneous distribution of the refrigerant stream along the length of the exchanger.
Pour remédier à l’insuffisance de gaz au bout froid, une solution connue consiste à réduire la section de l’échangeur. La section disponible pour la circulation du courant réfrigérant est réduite, ce qui permet d’augmenter le débit volumique et la vitesse d’écoulement du courant réfrigérant au bout froid. To remedy the shortage of gas at the cold end, a known solution is to reduce the section of the exchanger. The area available for the circulation of the refrigerant stream is reduced, which makes it possible to increase the volume flow and the flow rate of the refrigerant stream at the cold end.
Toutefois, cette solution entraîne un inconvénient majeur. En effet, la section de l’échangeur est dimensionnée en considérant le bout froid, où la vitesse However, this solution entails a major drawback. In fact, the section of the exchanger is sized considering the cold end, where the speed
d’écoulement du courant réfrigérant est la plus faible. Or, cette vitesse continue d’augmenter le long du trajet d’écoulement du courant réfrigérant, au fur et à mesure que la quantité de gaz augmente, ce qui conduit à un niveau de pertes de charges beaucoup trop important au bout chaud, du fait de la section réduite de l’échangeur.refrigerant flow rate is the lowest. However, this speed continues to increase along the flow path of the refrigerant current, as the quantity of gas increases, which leads to a level of pressure drops that is much too great at the hot end, because of the reduced section of the exchanger.
Il s’ensuit une dégradation des performances énergétiques du procédé.
La présente invention a pour but de résoudre en tout ou partie les problèmes mentionnés ci-avant, notamment en proposant un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures contre un courant réfrigérant diphasique, ledit procédé mettant en œuvre un échangeur de chaleur assurant une distribution plus homogène dudit courant réfrigérant dans la longueur de l’échangeur. This results in a degradation of the energy performance of the process. The object of the present invention is to resolve all or part of the above-mentioned problems, in particular by proposing a process for liquefying a stream of hydrocarbons against a two-phase refrigerant stream, said process using a heat exchanger ensuring a more homogeneous distribution of said refrigerant stream along the length of the exchanger.
La solution selon l’invention est alors un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel mettant en œuvre un échangeur de chaleur comprenant plusieurs plaques parallèles entre elles et à une direction longitudinale qui est sensiblement verticale, ledit échangeur présentant une longueur mesurée suivant la direction longitudinale, les plaques étant empilées avec espacement de façon à définir entre elles au moins une première série de passages pour The solution according to the invention is then a process for liquefying a stream of hydrocarbons such as natural gas using a heat exchanger comprising several plates parallel to each other and to a longitudinal direction which is substantially vertical, said exchanger having a length measured in the longitudinal direction, the plates being stacked with spacing so as to define between them at least a first series of passages for
l’écoulement d’au moins une partie d’un courant réfrigérant diphasique se vaporisant par échange de chaleur avec au moins le courant d’hydrocarbures, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : the flow of at least part of a two-phase refrigerant stream vaporizing by heat exchange with at least the hydrocarbon stream, said process comprising the following steps:
a) introduction du courant d’hydrocarbures dans l’échangeur de chaleur, b) introduction d’un courant réfrigérant dans l’échangeur de chaleur par au moins une première entrée jusqu’à une première sortie, lesdites premières entrée et sortie étant agencées de sorte que le courant réfrigérant s’écoule dans l’échangeur dans un sens descendant opposé à la direction longitudinale, a) introduction of the stream of hydrocarbons into the heat exchanger, b) introduction of a refrigerant stream into the heat exchanger through at least a first inlet to a first outlet, said first inlet and outlet being arranged so that the refrigerant stream flows through the exchanger in a downward direction opposite to the longitudinal direction,
c) sortie du courant réfrigérant par la première sortie de l’échangeur, c) outlet of the refrigerant stream through the first outlet of the exchanger,
d) détente du courant réfrigérant issu de l’étape c) de sorte à produire un courant réfrigérant diphasique, d) expansion of the refrigerant stream from step c) so as to produce a two-phase refrigerant stream,
e) réintroduction d’au moins une partie du courant réfrigérant diphasique dans l’échangeur de chaleur par au moins une deuxième entrée jusqu’à une deuxième sortie, lesdites deuxièmes entrée et sortie étant agencées de sorte que ladite au moins une partie du courant réfrigérant diphasique s’écoule dans les passages de la première série dans un sens ascendant orienté suivant la direction longitudinale, f) vaporisation au moins partiellement de ladite au moins une partie de courant réfrigérant diphasique dans les passages de la première série par échange de chaleur avec au moins le courant d’hydrocarbures de façon à obtenir un courant d’hydrocarbures au moins partiellement liquéfié en sortie de l’échangeur, caractérisé en ce qu’au moins un passage de la première série comprend une structure d’échange thermique comprenant plusieurs séries de parois de guidage de fluide, lesdites séries de parois se succédant suivant la direction longitudinale et présentant
des bords d’attaque qui s’étendent orthogonalement à la direction longitudinale de façon à faire face, en tout ou partie, au courant réfrigérant diphasique, ladite structure d’échange thermique ayant une surface de section transversale de bords d’attaque, mesurée orthogonalement à la direction longitudinale et exprimée par mètre de longueur d’échangeur, décroissante suivant la direction longitudinale. e) reintroduction of at least a part of the two-phase refrigerant stream into the heat exchanger through at least a second inlet to a second outlet, said second inlet and outlet being arranged so that said at least part of the refrigerant stream two-phase flows in the passages of the first series in an ascending direction oriented in the longitudinal direction, f) at least partially vaporization of said at least part of two-phase refrigerant current in the passages of the first series by heat exchange with at minus the stream of hydrocarbons so as to obtain a stream of at least partially liquefied hydrocarbons at the outlet of the exchanger, characterized in that at least one passage of the first series comprises a heat exchange structure comprising several series of fluid guide walls, said series of walls succeeding one another in the longitudinal direction and having leading edges which extend orthogonally to the longitudinal direction so as to face, in whole or in part, the two-phase refrigerant current, said heat exchange structure having a cross-sectional area of leading edges, measured orthogonally in the longitudinal direction and expressed per meter of heat exchanger length, decreasing in the longitudinal direction.
Selon le cas, l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : Depending on the case, the invention may include one or more of the following characteristics:
- à l’étape e), le ratio volumique liquide/gaz de ladite au moins une partie du courant réfrigérant diphasique réintroduite dans l’échangeur de chaleur est compris entre 10 et 100 %, de préférence compris entre 10 et 60 %, ladite au moins une partie du courant réfrigérant diphasique s’écoulant dans les passages de la première série présentant un ratio volumique liquide/gaz décroissant suivant la direction longitudinale. - in step e), the liquid / gas volume ratio of said at least part of the two-phase refrigerant stream reintroduced into the heat exchanger is between 10 and 100%, preferably between 10 and 60%, said at at least a part of the two-phase refrigerant stream flowing in the passages of the first series having a liquid / gas volume ratio which decreases in the longitudinal direction.
- la structure d’échange thermique est divisée, suivant la direction longitudinale, en plusieurs portions présentant chacune une surface de section transversale de bords d’attaque de valeur prédéterminée, une portion agencée en aval d’une autre portion en suivant la direction longitudinale, de préférence consécutivement, présentant une surface de section transversale de bords d’attaque réduite par rapport à la surface de section transversale de bords d’attaque de l’autre portion d’un facteur d’au moins 1 ,3, de préférence un facteur compris entre 1 ,5 et 5. - the heat exchange structure is divided, along the longitudinal direction, into several portions each having a cross-sectional area of leading edges of predetermined value, a portion arranged downstream of another portion along the longitudinal direction, preferably consecutively, having a leading edge cross sectional area reduced relative to the leading edge cross sectional area of the other portion by a factor of at least 1.3, preferably a factor between 1, 5 and 5.
- le courant réfrigérant diphasique s’écoulant à travers la portion agencée en amont de l’autre portion présente un ratio volumique liquide/gaz supérieur d’au moins 2%, de préférence inférieur de 2 à 20 %, au ratio volumique liquide/gaz du courant réfrigérant diphasique s’écoulant à travers l’autre portion. - the two-phase refrigerant current flowing through the portion arranged upstream of the other portion has a liquid / gas volume ratio at least 2% higher, preferably 2 to 20% lower, than the liquid / gas volume ratio two-phase refrigerant current flowing through the other portion.
la structure d’échange thermique est divisée, suivant la direction longitudinale, en plusieurs portions présentant chacune une surface de section transversale de bords d’attaque de valeur prédéterminée, lesdites valeurs de surface prédéterminées étant décroissantes suivant la direction longitudinale. the heat exchange structure is divided, along the longitudinal direction, into several portions each having a cross-sectional area of leading edges of predetermined value, said predetermined area values being decreasing in the longitudinal direction.
lesdites portions forment des entités physiques distinctes assemblées entre elles par brasage dans ledit passage et/ou au moins l’une desdites portions est formée de plusieurs sous-portions distinctes assemblées entre elles par brasage dans ledit passage. said portions form separate physical entities assembled together by brazing in said passage and / or at least one of said portions is formed of several distinct sub-portions assembled together by brazing in said passage.
lesdites séries de parois de guidage de fluide forment chacune une ondulation comprenant une pluralité d’ailettes se succédant suivant une direction latérale qui est
orthogonale à la direction longitudinale et parallèle aux plaques, avec des sommets d’onde et des bases d’onde reliant alternativement lesdites ailettes, said series of fluid guide walls each form a corrugation comprising a plurality of fins following one another in a lateral direction which is orthogonal to the longitudinal direction and parallel to the plates, with wave tops and wave bases alternately connecting said fins,
lesdites ondulations présentent des pas croissants suivant la direction longitudinale, lesdits pas étant définis comme les distances entre deux ailettes successives d’une même ondulation mesurées suivant la direction latérale. said corrugations have increasing pitches in the longitudinal direction, said pitches being defined as the distances between two successive fins of the same corrugation measured in the lateral direction.
les parois de guidage de fluide présentent des épaisseurs décroissantes suivant la direction longitudinale. the fluid guide walls have decreasing thicknesses in the longitudinal direction.
lesdites séries de parois de guidage de fluide forment des ondulations ayant une direction d’ondulation orientée suivant la direction latérale, au moins une partie desdites ondulations présentant un décalage prédéterminé suivant la direction latérale par rapport à une autre ondulation adjacente, lesdites ondulations à décalage ayant des longueurs dites de serration, mesurées suivant la direction longitudinale, croissantes suivant la direction longitudinale. said series of fluid guide walls form corrugations having a corrugation direction oriented in the lateral direction, at least a portion of said corrugations exhibiting a predetermined offset in the lateral direction with respect to another adjacent corrugation, said offset corrugations having so-called tightening lengths, measured in the longitudinal direction, increasing in the longitudinal direction.
la structure d’échange thermique est divisée, suivant la direction longitudinale, en plusieurs portions comprenant chacune plusieurs séries de parois de guidage de fluide agencées consécutivement suivant la direction longitudinale (z) avec chaque série formant une ondulation, chaque portion (S1 , S2) ayant des ondulations présentant un décalage prédéterminé suivant la direction latérale (y) par rapport à une autre ondulation adjacente, chaque portion (S1 , S2) comprenant des ondulations d’une longueur dite de serration (L1 , L2) mesurée suivant la direction longitudinale (z), les portions (S1 , S2) étant arrangées par ordre croissant de leur longueur de serration (L1 , L2) respective suivant la direction longitudinale (z). the heat exchange structure is divided, along the longitudinal direction, into several portions each comprising several series of fluid guide walls arranged consecutively in the longitudinal direction (z) with each series forming a corrugation, each portion (S1, S2) having corrugations having a predetermined offset in the lateral direction (y) with respect to another adjacent corrugation, each portion (S1, S2) comprising corrugations of a so-called clamping length (L1, L2) measured in the longitudinal direction ( z), the portions (S1, S2) being arranged in increasing order of their respective clamping length (L1, L2) along the longitudinal direction (z).
lesdites portions (S1 , S2) présente au moins un paramètre identique de leurs ondulations choisi parmi le décalage prédéterminé, l’épaisseur, le pas. said portions (S1, S2) have at least one identical parameter of their undulations chosen from the predetermined offset, the thickness, the pitch.
à l’étape a), le courant d’hydrocarbures est introduit à l’état gazeux ou partiellement liquéfié dans l’échangeur de chaleur à une température comprise entre -80 et -35 °C. in step a), the hydrocarbon stream is introduced in the gaseous or partially liquefied state into the heat exchanger at a temperature between -80 and -35 ° C.
à l’étape a), le courant d’hydrocarbures est introduit totalement liquéfié dans l’échangeur de chaleur à une température comprise entre -130 à -100 °C. in step a), the stream of hydrocarbons is introduced fully liquefied into the heat exchanger at a temperature between -130 to -100 ° C.
à l’étape e), ladite au moins une partie du courant réfrigérant diphasique est introduite dans l’échangeur de chaleur à une première température comprise entre - 120 et -160 °C et sort de l’échangeur de chaleur à une deuxième température supérieure à la première température, de préférence la deuxième température est comprise entre -35 et -130 °C.
à l’étape e), le courant réfrigérant diphasique introduit dans l’échangeur de chaleur présente un ratio volumique liquide/gaz compris entre 10 et 100 %, de préférence compris entre 10 et 60 %. in step e), said at least part of the two-phase refrigerant stream is introduced into the heat exchanger at a first temperature of between - 120 and -160 ° C and leaves the heat exchanger at a second higher temperature at the first temperature, preferably the second temperature is between -35 and -130 ° C. in step e), the two-phase refrigerant stream introduced into the heat exchanger has a liquid / gas volume ratio of between 10 and 100%, preferably between 10 and 60%.
préalablement à l’étape a), on met en œuvre au moins un cycle de prior to step a), at least one cycle of
réfrigération supplémentaire comprenant les étapes suivantes : additional refrigeration comprising the following steps:
i) introduction d’un courant d’alimentation comprenant un mélange i) introduction of a feed stream comprising a mixture
d’hydrocarbures tel du gaz naturel dans un échangeur de chaleur supplémentaire comprenant un ensemble d’autres plaques parallèles entre elles et à la direction longitudinale et empilées avec espacement de façon à définir entre elles au moins un ensemble de passages frigorigènes supplémentaires, hydrocarbons such as natural gas in an additional heat exchanger comprising a set of other plates parallel to each other and to the longitudinal direction and stacked with spacing so as to define between them at least one set of additional refrigerant passages,
ii) introduction d’un courant réfrigérant supplémentaire dans l’échangeur de chaleur supplémentaire, ii) introduction of an additional refrigerant stream in the additional heat exchanger,
iii) extraction de l’échangeur de chaleur d’au moins deux courants partiels réfrigérants issus du courant réfrigérant supplémentaire et détente desdits courants partiels réfrigérant à des niveaux de pression différents pour produire au moins deux fluides frigorigènes diphasiques, iii) extracting from the heat exchanger at least two refrigerant partial streams from the additional refrigerant stream and expansion of said refrigerant partial streams to different pressure levels to produce at least two two-phase refrigerants,
iv) réintroduction d’au moins une partie de chaque fluide frigorigène dans des passages frigorigènes supplémentaires respectifs de l’échangeur de chaleur et vaporisation au moins partiellement desdites au moins une partie de chaque fluide frigorigène par échange de chaleur avec au moins le courant d’alimentation de façon à obtenir un courant d’hydrocarbures pré-refroidi en sortie de l’échangeur de chaleur supplémentaire, iv) reintroducing at least a portion of each refrigerant into respective additional refrigerant passages of the heat exchanger and at least partially vaporizing said at least a portion of each refrigerant by heat exchange with at least the stream of feed so as to obtain a pre-cooled stream of hydrocarbons at the outlet of the additional heat exchanger,
v) introduction du courant d’hydrocarbures pré-refroidi dans l’échangeur de chaleur. v) introduction of the pre-cooled hydrocarbon stream into the heat exchanger.
De préférence, les fluides frigorigènes s’écoulent de façon ascendante suivant la direction longitudinale dans les passages frigorigènes supplémentaires respectifs de l’échangeur de chaleur. Preferably, the refrigerants flow upwardly in the longitudinal direction into the respective additional refrigerant passages of the heat exchanger.
De préférence encore, au moins un passage frigorigène supplémentaire comprend au moins une structure d’échange thermique supplémentaire comprenant plusieurs séries supplémentaires de parois de guidage de fluide, lesdites séries se succédant suivant la direction longitudinale et présentant des bords d’attaque supplémentaires qui s’étendent orthogonalement à la direction longitudinale de façon à faire face, en tout ou partie, aux fluides frigorigènes diphasiques, ladite structure d’échange
thermique supplémentaire ayant une surface de section transversale de bords d’attaque, décroissante suivant la direction longitudinale. More preferably, at least one additional refrigerant passage comprises at least one additional heat exchange structure comprising several additional series of fluid guide walls, said series succeeding each other in the longitudinal direction and having additional leading edges which overlap. extend orthogonally to the longitudinal direction so as to face, in whole or in part, the two-phase refrigerants, said exchange structure additional thermal having a cross-sectional area of leading edges, decreasing in the longitudinal direction.
L'expression "gaz naturel" se rapporte à toute composition contenant des The term "natural gas" refers to any composition containing
hydrocarbures dont au moins du méthane. Cela comprend une composition « brute » (préalablement à tout traitement ou lavage), ainsi que toute composition ayant été partiellement, substantiellement ou entièrement traitée pour la réduction et/ou élimination d'un ou plusieurs composés, y compris, mais sans s'y limiter, le soufre, le dioxyde de carbone, l'eau, le mercure et certains hydrocarbures lourds et hydrocarbons including at least methane. This includes a "crude" composition (prior to any treatment or washing), as well as any composition that has been partially, substantially or fully treated for the reduction and / or elimination of one or more compounds, including, but not limited to. limit sulfur, carbon dioxide, water, mercury and certain heavy hydrocarbons and
aromatiques. aromatic.
La présente invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures ci-annexés, parmi lesquelles : The present invention will now be better understood thanks to the following description, given solely by way of nonlimiting example and made with reference to the appended figures, among which:
Fig. 1 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures selon un mode de réalisation de l’invention. Fig. 1 schematically shows a process for liquefying an hydrocarbon stream according to one embodiment of the invention.
Fig. 2 est vue schématique en coupe, dans un plan parallèle aux plaques de l’échangeur, d’un passage d’échangeur configuré pour l’écoulement du courant réfrigérant diphasique selon un mode de réalisation de l’invention. Fig. 2 is a schematic sectional view, in a plane parallel to the plates of the exchanger, of an exchanger passage configured for the flow of the two-phase refrigerant stream according to one embodiment of the invention.
Fig. 3 est vue schématique en coupe, dans un plan parallèle aux plaques de l’échangeur, d’un passage d’échangeur configuré pour l’écoulement du courant réfrigérant diphasique selon un autre mode de réalisation de l’invention. Fig. 3 is a schematic sectional view, in a plane parallel to the plates of the exchanger, of an exchanger passage configured for the flow of the two-phase refrigerant stream according to another embodiment of the invention.
Fig. 4 représente une portion de structure d’échange thermique d’un échangeur selon un mode de réalisation de l’invention. Fig. 4 shows a portion of the heat exchange structure of an exchanger according to one embodiment of the invention.
Fig. 5 représente une portion de structure d’échange thermique d’un échangeur selon autre un mode de réalisation de l’invention. Fig. 5 shows a portion of the heat exchange structure of an exchanger according to another embodiment of the invention.
Fig. 6 représente une portion de structure d’échange thermique d’un échangeur selon un autre mode de réalisation de l’invention. Fig. 6 shows a portion of the heat exchange structure of an exchanger according to another embodiment of the invention.
Fig. 7 représente une structure d’échange thermique d’un échangeur selon un autre mode de réalisation de l’invention. Fig. 7 shows a heat exchange structure of an exchanger according to another embodiment of the invention.
Fig. 8 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures selon un autre mode de réalisation de l’invention. Fig. 8 shows schematically a process for liquefying an hydrocarbon stream according to another embodiment of the invention.
Fig. 1 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures 102 pouvant être du gaz naturel, éventuellement pré-traité, par exemple ayant subi une séparation d’au moins un des constituants suivants : eau, dioxyde de carbone, composés soufrés, méthanol, avant son introduction dans l’échangeur de chaleur E2.
De préférence, le courant de gaz naturel comprend, en fraction molaire, au moins 60% de méthane, de préférence au moins 80%. Fig. 1 shows schematically a process for liquefying a stream of hydrocarbons 102 which may be natural gas, optionally pre-treated, for example having undergone a separation of at least one of the following constituents: water, carbon dioxide, sulfur compounds, methanol , before its introduction into the heat exchanger E2. Preferably, the natural gas stream comprises, in mole fraction, at least 60% methane, preferably at least 80%.
Le gaz naturel 102 peut être fractionné, c'est-à-dire qu'une partie des hydrocarbures C2+ contenant au moins deux atomes de carbone est séparée du gaz naturel en utilisant un dispositif connu de l'homme de l'art. Les hydrocarbures C2+ recueillis sont envoyés dans des colonnes de fractionnement comportant un deéthaniseur. La fraction légère recueillie en tête du deéthaniseur peut être mélangée avec le gaz naturel 102. La fraction liquide recueillie en fond du deéthaniseur est envoyée à un dépropaniseur. The natural gas 102 can be fractionated, that is to say that a part of the C2 + hydrocarbons containing at least two carbon atoms is separated from the natural gas using a device known to those skilled in the art. The C2 + hydrocarbons collected are sent to fractionation columns comprising a deethanizer. The light fraction collected at the top of the deethanizer can be mixed with natural gas 102. The liquid fraction collected at the bottom of the deethanizer is sent to a depropanizer.
Le courant d’hydrocarbures 102 et le courant réfrigérant 202 entrent dans The hydrocarbon stream 102 and the refrigerant stream 202 enter
l'échangeur E2 respectivement par une troisième entrée 20 et une première entrée 21 pour y circuler dans des passages dédiés de l’échangeur selon des directions parallèles à la direction longitudinale z, qui est sensiblement verticale en the exchanger E2 respectively by a third inlet 20 and a first inlet 21 to circulate therein through dedicated passages of the exchanger in directions parallel to the longitudinal direction z, which is substantially vertical in
fonctionnement. Ces courants ressortent par une troisième sortie 22 et une première sortie 23. operation. These currents come out through a third outlet 22 and a first outlet 23.
Avantageusement, la première entrée 21 pour le courant réfrigérant 202 et la troisième entrée 20 pour le courant d’hydrocarbures sont agencées de sorte que le courant réfrigérant 202, et éventuellement le courant d’hydrocarbures 102, s’écoulent à co-courant dans le sens descendant, en direction d’une deuxième extrémité 2b de l’échangeur qui est située à un niveau inférieur à celui d’une première extrémité 1 a dudit échangeur. De préférence, la première extrémité 2a correspond au bout chaud de l’échangeur E2, c’est-à-dire le point d’entrée de l’échangeur ou un fluide est introduit à la température la plus élevée des températures de l’échangeur, en l’occurrence la troisième entrée 20. Advantageously, the first inlet 21 for the refrigerant stream 202 and the third inlet 20 for the hydrocarbon stream are arranged so that the refrigerant stream 202, and optionally the hydrocarbon stream 102, flow cocurrently in the descending direction, in the direction of a second end 2b of the exchanger which is located at a level lower than that of a first end 1a of said exchanger. Preferably, the first end 2a corresponds to the hot end of the exchanger E2, that is to say the entry point of the exchanger where a fluid is introduced at the highest temperature of the temperatures of the exchanger. , in this case the third entry 20.
De préférence, le courant d’hydrocarbures 102 est introduit à l’état totalement gazeux ou partiellement liquéfié dans l’échangeur de chaleur E2 à une température comprise entre -80 et -35 °C. Preferably, the hydrocarbon stream 102 is introduced in the fully gaseous or partially liquefied state into the heat exchanger E2 at a temperature between -80 and -35 ° C.
Selon une autre possibilité, le courant d’hydrocarbures 102 est introduit totalement liquéfié dans l’échangeur E2 à une température comprise entre -130 et -100 °C. Alternatively, the stream of hydrocarbons 102 is introduced completely liquefied into exchanger E2 at a temperature between -130 and -100 ° C.
Le courant réfrigérant 201 sortant de l'échangeur E2 est détendu par un organe de détente T3, tel une turbine, une vanne ou une combinaison d'une turbine et d’une vanne, de façon à former un courant réfrigérant 203 diphasique comprenant une phase liquide et une phase gazeuse. Au moins une partie du courant réfrigérant diphasique 203 issu de la détente est réintroduit dans l’échangeur E2 par au moins
une deuxième entrée 41 située dans la région de la deuxième extrémité 2b et alimentant une première série de passages 10 de l’échangeur. The refrigerant stream 201 leaving the exchanger E2 is expanded by an expansion member T3, such as a turbine, a valve or a combination of a turbine and a valve, so as to form a two-phase refrigerant stream 203 comprising a phase liquid and a gas phase. At least a part of the two-phase refrigerant stream 203 coming from the expansion is reintroduced into the exchanger E2 by at least a second inlet 41 located in the region of the second end 2b and supplying a first series of passages 10 of the exchanger.
De préférence, la deuxième extrémité 2b correspond au bout froid, qui correspond à un point d’entrée dans l’échangeur où un fluide est introduit à la température la plus basse des températures de l’échangeur, en l’occurrence la deuxième entrée 41. Notons que dans le cadre de l’invention, la réintroduction de ladite au moins une partie du courant réfrigérant diphasique 203 peut être réalisée de plusieurs façons. Les deux phases du courant diphasique 203 peuvent être séparées préalablement dans un organe séparateur 27 avant d’être recombinées à l’extérieur de l’échangeur et réintroduites à l’état de mélange liquide-gaz dans l'échangeur E2 par une même entrée 41 , comme représenté sur Fig. 1. L’organe séparateur peut être tout dispositif adapté pour séparer un fluide diphasique en un courant gazeux d’une part et un courant liquide d’autre part. Le courant diphasique 203 est ainsi réintroduit en totalité ou quasi-totalité. Preferably, the second end 2b corresponds to the cold end, which corresponds to an entry point into the exchanger where a fluid is introduced at the lowest temperature of the exchanger temperatures, in this case the second inlet 41 Note that in the context of the invention, the reintroduction of said at least part of the two-phase refrigerant current 203 can be carried out in several ways. The two phases of the two-phase current 203 can be separated beforehand in a separator device 27 before being recombined outside the exchanger and reintroduced in the state of a liquid-gas mixture into the exchanger E2 via the same inlet 41 , as shown in Fig. 1. The separator member can be any device suitable for separating a two-phase fluid into a gas stream on the one hand and a liquid stream on the other hand. The two-phase current 203 is thus reintroduced entirely or almost entirely.
Selon une variante de réalisation (non illustrée), les phases liquide et gazeuse peuvent être introduites séparément dans l’échangeur par des entrées distinctes, puis mélangées entre elles au sein de l’échangeur, au moyen d’un dispositif mélangeur tel que décrit par exemple dans FR-A-2563620 ou WO-A-2018172644. Ces dispositifs sont typiquement des pièces usinées comprenant un agencement particulier de canaux séparés pour une phase liquide et une phase gazeuse et d’orifices mettant ces canaux en communication fluidique afin de distribuer un mélange liquide-gaz. Le courant diphasique 203 est ainsi réintroduit en totalité ou quasi-totalité. According to an alternative embodiment (not illustrated), the liquid and gaseous phases can be introduced separately into the exchanger by separate inlets, then mixed together within the exchanger, by means of a mixing device as described by example in FR-A-2563620 or WO-A-2018172644. These devices are typically machined parts comprising a particular arrangement of separate channels for a liquid phase and a gas phase and orifices putting these channels in fluid communication in order to distribute a liquid-gas mixture. The two-phase current 203 is thus reintroduced entirely or almost entirely.
Selon une autre variante (non illustrée), seule la phase liquide séparée du courant 203 diphasique est réintroduite par la deuxième entrée 41. Cette phase liquide forme ladite partie de courant réfrigérant diphasique 203. La phase gazeuse est de préférence détournée de l’échangeur E2, c’est-à-dire qu’elle n’y est pas introduite. Notons que le fluide diphasique peut éventuellement être réintroduit directement après détente à l’état de mélange liquide-gaz. According to another variant (not shown), only the liquid phase separated from the two-phase stream 203 is reintroduced through the second inlet 41. This liquid phase forms said part of the two-phase refrigerant stream 203. The gas phase is preferably diverted from the exchanger E2. , that is, it is not introduced there. Note that the two-phase fluid can optionally be reintroduced directly after expansion to the state of a liquid-gas mixture.
De préférence, ladite au moins une partie du courant réfrigérant diphasique 203 est introduite dans l’échangeur de chaleur E2 à une première température T1 comprise entre -120 et -160 °C et sort de l’échangeur de chaleur E2 à une deuxième température T2 supérieure à la première température T1 , de préférence avec T2 comprise entre -35 et -130 °C.
Ladite au moins une partie du courant réfrigérant diphasique 203 s’écoule dans les passages 10 en sens ascendant et est vaporisé en réfrigérant à contre-courant le gaz naturel 102 et le courant réfrigérant 202. Preferably, said at least part of the two-phase refrigerant stream 203 is introduced into the heat exchanger E2 at a first temperature T1 of between -120 and -160 ° C and leaves the heat exchanger E2 at a second temperature T2 greater than the first temperature T1, preferably with T2 between -35 and -130 ° C. Said at least part of the two-phase refrigerant stream 203 flows through the passages 10 in an upward direction and is vaporized by countercurrently refrigerating the natural gas 102 and the refrigerant stream 202.
Le courant réfrigérant vaporisé sort de l'échangeur E2 par une deuxième sortie 42 pour être comprimé par un compresseur puis refroidi dans l'échangeur de chaleur indirect par échange de chaleur avec un fluide extérieur de refroidissement, par exemple de l'eau ou de l'air (en 26 sur Fig. 1 ). La pression du courant réfrigérant en sortie du compresseur peut être comprise entre 2 MPa et 8 MPa. La température du courant réfrigérant à la sortie de l'échangeur de chaleur indirect peut être comprise entre 10 °C et 45 °C. The vaporized refrigerant stream leaves the exchanger E2 via a second outlet 42 to be compressed by a compressor and then cooled in the indirect heat exchanger by heat exchange with an external cooling fluid, for example water or gas. 'air (at 26 in Fig. 1). The pressure of the refrigerant stream at the outlet of the compressor may be between 2 MPa and 8 MPa. The temperature of the refrigerant stream at the outlet of the indirect heat exchanger can be between 10 ° C and 45 ° C.
Dans le procédé décrit par Fig. 1 , le courant réfrigérant n'est pas scindé en fractions séparées, mais, pour optimiser l'approche dans l'échangeur E2, le courant réfrigérant peut également être séparé en deux ou trois fractions, chaque fraction étant détendue à un niveau de pression différent puis envoyé à différents étages du compresseur K2. In the method described by FIG. 1, the refrigerant stream is not split into separate fractions, but, to optimize the approach in exchanger E2, the refrigerant stream can also be split into two or three fractions, each fraction being expanded to a different pressure level then sent to different stages of compressor K2.
De préférence, le courant réfrigérant 202 contient des hydrocarbures ayant un nombre d’atomes de carbone d’au plus 5, de préférence au plus trois, de préférence encore au plus deux. Preferably, refrigerant stream 202 contains hydrocarbons having a carbon atom number of at most 5, preferably at most three, more preferably at most two.
De préférence, le courant réfrigérant 202 est formé par exemple par un mélange d'hydrocarbures et d'azote tels qu'un mélange de méthane, d'éthane et d'azote mais peut également contenir du propane, du butane, du pentane et/ou de l’éthylène. Preferably, the refrigerant stream 202 is formed for example by a mixture of hydrocarbons and nitrogen such as a mixture of methane, ethane and nitrogen but can also contain propane, butane, pentane and / or ethylene.
Les proportions en fractions molaires (%) des composants du courant réfrigérant peuvent être: The proportions in mole fractions (%) of the components of the refrigerant stream can be:
Azote: 0 % à 10 % Nitrogen: 0% to 10%
Méthane: 30 % à 70 % Methane: 30% to 70%
Ethane: 30 % à 70 % Ethane: 30% to 70%
Propane: 0 % à 10 % Propane: 0% to 10%
Le gaz naturel sort au moins partiellement liquéfié 220 de l'échangeur E2 à une température de préférence supérieure d'au moins 10°C par rapport à la température de bulle du gaz naturel liquéfié produit à pression atmosphérique (la température de bulle désigne la température à laquelle les premières bulles de vapeur se forment dans un gaz naturel liquide à une pression donnée) et à une pression identique à la pression d'entrée du gaz naturel, aux pertes de charge près. Par exemple le gaz naturel sort de l’échangeur E2 à une température comprise entre -105 °C et -145 °C
et à une pression comprise entre 4 MPa et 7 MPa. Dans ces conditions de The natural gas leaves at least partially liquefied 220 from the exchanger E2 at a temperature preferably at least 10 ° C higher than the bubble temperature of the liquefied natural gas produced at atmospheric pressure (the bubble temperature designates the temperature at which the first vapor bubbles form in liquid natural gas at a given pressure) and at a pressure identical to the inlet pressure of natural gas, except for pressure drops. For example, natural gas leaves exchanger E2 at a temperature between -105 ° C and -145 ° C and at a pressure between 4 MPa and 7 MPa. In these conditions of
température et de pression, le gaz naturel ne reste pas entièrement liquide après une détente jusqu'à la pression atmosphérique. temperature and pressure, natural gas does not remain entirely liquid after expansion to atmospheric pressure.
Fig. 2 montre un passage 10 d’un échangeur E2 selon l’invention configuré pour vaporiser le courant réfrigérant diphasique. L’échangeur E2 comprend plusieurs plaques 2 (non visibles) qui s’étendent suivant deux dimensions, longueur Lz et largeur Ly de l’échangeur, respectivement suivant une direction longitudinale z et une direction latérale y orthogonale à z et parallèle aux plaques 2. Les plaques 2 sont disposées parallèlement l’une au-dessus de l’autre avec espacement suivant une direction d’empilement x, formant ainsi une pluralité de passages pour les fluides du procédé qui sont à mettre en relation d’échange de chaleur indirect via les plaques. Un passage 10 est formé entre deux plaques adjacentes. De préférence, chaque passage de l’échangeur a une forme parallélépipédique et plate. L’écart entre deux plaques successives est petit devant la longueur et la largeur de chaque plaque successive. Fig. 2 shows a passage 10 of an exchanger E2 according to the invention configured to vaporize the two-phase refrigerant stream. The exchanger E2 comprises several plates 2 (not visible) which extend in two dimensions, length Lz and width Ly of the exchanger, respectively in a longitudinal direction z and a lateral direction y orthogonal to z and parallel to the plates 2. The plates 2 are arranged parallel one above the other with spacing in a direction of stacking x, thus forming a plurality of passages for the fluids of the process which are to be put in indirect heat exchange relation via the plaques. A passage 10 is formed between two adjacent plates. Preferably, each passage of the exchanger has a parallelepipedal and flat shape. The gap between two successive plates is small compared to the length and width of each successive plate.
Le courant d’hydrocarbures 102 circule dans une deuxième série de passages (non illustrée) agencés, en tout ou partie, en alternance et/ou de façon adjacente avec tout ou partie des passages 10 de la première série. L’écoulement des fluides dans les passages a lieu globalement parallèlement à la direction longitudinale z qui est verticale lors du fonctionnement de l’échangeur. The hydrocarbon stream 102 circulates in a second series of passages (not shown) arranged, in whole or in part, alternating and / or adjacent to all or part of the passages 10 of the first series. The flow of fluids in the passages takes place generally parallel to the longitudinal direction z which is vertical during operation of the exchanger.
L’étanchéité des passages 10 le long des bords des plaques est généralement assurée par des bandes d’étanchéité latérales et longitudinales 4 fixées sur les plaques. Les bandes d’étanchéité latérales 4 n’obturent pas complètement les passages 10 mais laissent des ouvertures d’entrée 41 et de sortie 42. Les entrées et sorties 41 , 42 de la superposition de passages 10 sont réunies par des collecteurs 71 , 82 servant à l’introduction et à l’évacuation du courant 203. The sealing of the passages 10 along the edges of the plates is generally provided by lateral and longitudinal sealing strips 4 fixed to the plates. The lateral sealing strips 4 do not completely block the passages 10 but leave inlet 41 and outlet 42 openings. The inlets and outlets 41, 42 of the superposition of passages 10 are joined by collectors 71, 82 serving the introduction and discharge of the current 203.
Classiquement, les passages 10 comprennent une ou plusieurs structures d’échange thermique S disposées entre les plaques 2. Ces structures ont pour fonction d’augmenter la surface d’échange thermique de l’échangeur. En effet, les structures d’échange thermique sont en contact avec les fluides circulant dans les passages et transfèrent des flux thermiques par conduction jusqu’aux plaques adjacentes. Conventionally, the passages 10 include one or more heat exchange structures S arranged between the plates 2. The function of these structures is to increase the heat exchange surface of the exchanger. This is because the heat exchange structures are in contact with the fluids circulating in the passages and transfer heat flows by conduction to the adjacent plates.
Les structures d’échange thermique ont aussi une fonction d’entretoises entre les plaques 2, notamment lors de l’assemblage par brasage de l’échangeur et pour éviter toute déformation des plaques lors de la mise en œuvre des fluides sous
pression. Elles assurent également le guidage des écoulements de fluide dans les passages de l’échangeur. The heat exchange structures also have a function of spacers between the plates 2, in particular during assembly by brazing the exchanger and to avoid any deformation of the plates during the use of the fluids under pressure. They also ensure the guidance of the fluid flows in the passages of the exchanger.
Par commodité, il est habituel d’agencer des structures d’échange thermique du même type tout au long d’un passage d’échangeur. Par exemple, lorsque ces structures sont formées d’ondes, celles-ci présentent des ondulations du même type, en particulier même période d’ondulation et donc même densité d’ailettes, même épaisseur, ... For convenience, it is usual to arrange heat exchange structures of the same type throughout an exchanger passage. For example, when these structures are formed from waves, they have corrugations of the same type, in particular the same period of ripple and therefore the same density of fins, same thickness, ...
Or, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence qu’avec une telle configuration, des disparités de pertes de charge et de vitesses d’écoulement apparaissaient au fur et à mesure que le courant réfrigérant s’écoulait le long des passages 10, du fait notamment de la vaporisation progressive dudit courant réfrigérant. However, the inventors of the present invention have demonstrated that with such a configuration, disparities in pressure drops and flow rates appear as the refrigerant current flows along the passages 10, due in particular to the progressive vaporization of said refrigerant stream.
Afin de résoudre ces problèmes, l’invention propose d’agencer, dans au moins un passage 10 de la première série, une structure d’échange thermique permettant d’équilibrer les pertes de charges dans la longueur dudit passage. In order to solve these problems, the invention proposes to arrange, in at least one passage 10 of the first series, a heat exchange structure making it possible to balance the pressure losses along the length of said passage.
Plus précisément, au moins un passage 10 comprend une structure d’échange thermique S dont la surface de section transversale de bords d’attaques décroit suivant la direction longitudinale z, c’est-à-dire en direction de la première extrémité de l’échangeur. More precisely, at least one passage 10 comprises a heat exchange structure S, the cross-sectional area of the leading edges of which decreases in the longitudinal direction z, that is to say in the direction of the first end of the exchanger.
Fig. 4 à Fig. 7 montrent des exemples de structures d’échange thermique pouvant être agencée dans le passage 10 et illustrent les bords d’attaque de ces structures. En référence à Fig. 4 et Fig. 5, une structure S selon l’invention comprend plusieurs séries de parois de guidage de fluide 121 , 122, 123 (une seule série visible sur Fig. 5), lesdites parois étant agencées parallèlement à la direction longitudinale z et présentant des premiers bords d’attaque 124 disposés sensiblement Fig. 4 to Fig. 7 show examples of heat exchange structures that can be arranged in passage 10 and illustrate the leading edges of these structures. With reference to Fig. 4 and Fig. 5, a structure S according to the invention comprises several series of fluid guide walls 121, 122, 123 (a single series visible in Fig. 5), said walls being arranged parallel to the longitudinal direction z and having first edges d 'attack 124 arranged substantially
orthogonalement à la direction longitudinale z et faisant face, en tout ou partie, au courant réfrigérant diphasique lorsque celui-ci s’écoule dans le passage 10. Les séries de parois se succèdent suivant la direction longitudinale z. orthogonally to the longitudinal direction z and facing, in whole or in part, the two-phase refrigerant current when it flows in passage 10. The series of walls follow one another in the longitudinal direction z.
Fig. 4 représente des parois 121 , 122, 123 d’épaisseur e1 , mesurée dans un plan orthogonal à la direction longitudinale z et suivant une direction orthogonale aux parois. La structure présente une hauteur h, mesurée suivant une direction d’empilement x qui est orthogonale à la direction longitudinale z et orthogonale aux plaques 2.
Selon l’invention, on mesure la surface de section transversale de la structure orthogonalement à la direction longitudinale z et par mètre de longueur d’échangeur. Déterminer la surface de section transversale A par unité de longueur d’échangeur permet de qualifier une variation progressive de ladite section le long du passage 10 et/ou de s’affranchir d’éventuelles différences de longueur lorsque l’on considère différentes portions S1 , S2,... de structures (cf. infra). Par exemple, sur Fig.5, la surface A1 de section transversale des bords d’attaque des parois 121 , 122, 123 correspond à la surface hachurée. Fig. 4 shows walls 121, 122, 123 of thickness e1, measured in a plane orthogonal to the longitudinal direction z and in a direction orthogonal to the walls. The structure has a height h, measured in a stacking direction x which is orthogonal to the longitudinal direction z and orthogonal to the plates 2. According to the invention, the cross-sectional area of the structure is measured orthogonally to the longitudinal direction z and per meter of exchanger length. Determining the cross-sectional area A per unit length of exchanger makes it possible to qualify a progressive variation of said section along the passage 10 and / or to overcome any differences in length when considering different portions S1, S2, ... of structures (see below). For example, in Fig.5, the cross-sectional area A1 of the leading edges of the walls 121, 122, 123 corresponds to the hatched area.
L’agencement d’une structure d’échange dont la surface de section transversale de bords d’attaque diminue en direction de la première extrémité 2a permet de compenser les disparités de pertes de charges subies par le courant réfrigérant 203 le long du passage 10. The arrangement of an exchange structure whose leading edge cross-sectional area decreases in the direction of the first end 2a makes it possible to compensate for the disparities in pressure losses undergone by the refrigerant stream 203 along the passage 10.
Ainsi, à la deuxième extrémité 2b, où la quantité de gaz présent dans le courant est encore relativement basse, une surface de bords d’attaque par unité de longueur plus importante permet d’augmenter les pertes de charges et la vitesse Thus, at the second end 2b, where the quantity of gas present in the current is still relatively low, a larger leading edge surface area per unit length makes it possible to increase the pressure drops and the speed
d’écoulement, favorisant l’ascension du courant 203. A mesure de son écoulement suivant la direction longitudinale z, le fait de réduire la surface de bords d’attaque permet de réduire les pertes de charge subies par le courant réfrigérant 203. flow, promoting the ascent of the current 203. As it flows in the longitudinal z direction, reducing the surface of the leading edges makes it possible to reduce the pressure losses undergone by the refrigerant current 203.
L’échangeur selon l’invention permet d’ajuster les pertes de charge sur la longueur du passage et de maintenir un niveau raisonnable de pertes de charges à la première extrémité 2a. Les performances énergétiques de l’installation industrielle intégrant l’échangeur selon l’invention s’en trouvent améliorées. The exchanger according to the invention makes it possible to adjust the pressure drops along the length of the passage and to maintain a reasonable level of pressure drops at the first end 2a. The energy performance of the industrial installation incorporating the exchanger according to the invention is improved.
Cela permet également d’avoir des vitesses d’écoulement de fluide suffisamment élevées sur toute la longueur du passage, en particulier à la deuxième extrémité 2b où l’entraînement de la phase liquide est critique. Il s’ensuit une distribution plus uniforme du courant réfrigérant diphasique et une amélioration des performances de l’échangeur. L’échangeur peut ainsi être dimensionné avec des marges de sécurité réduites par rapport aux marges qui devraient être prévues en l’absence de structures selon l’invention. It also allows for sufficiently high fluid flow velocities along the entire length of the passage, especially at the second end 2b where the entrainment of the liquid phase is critical. This results in a more uniform distribution of the two-phase refrigerant flow and an improvement in the performance of the exchanger. The exchanger can thus be dimensioned with reduced safety margins compared to the margins that should be provided in the absence of structures according to the invention.
En outre, l’échangeur peut fonctionner dans des marches dites réduites, c’est-à-dire plus faibles en débit, que ce soit en régime de fonctionnement transitoire ou en régime établi. In addition, the exchanger can operate in so-called reduced steps, that is to say lower in flow, whether in transient operating mode or in steady state.
Selon un mode de réalisation schématisé sur Fig. 2, la structure d’échange S présente une surface de section de bords d’attaque A qui diminue progressivement,
de façon monotone ou non, suivant la direction z. La structure S peut être formée d’un seul tenant, i. e. à partir d’une même plaque, ou bien de différentes parties distinctes juxtaposées suivant la direction z. According to an embodiment shown schematically in FIG. 2, the exchange structure S has a section area of leading edges A which gradually decreases, monotonously or not, in the z direction. The structure S can be formed in one piece, ie from the same plate, or else from different distinct parts juxtaposed in the z direction.
Selon un autre mode de réalisation schématisé sur Fig. 3, la structure d’échange thermique S est divisée, suivant la direction longitudinale z, en plusieurs portions S1 , S2,... présentant chacune une surface de section transversale A1 , A2 ... de bords d’attaque de valeur prédéterminée, lesdites valeurs de surface prédéterminées étant décroissantes suivant la direction longitudinale z. According to another embodiment shown schematically in FIG. 3, the heat exchange structure S is divided, along the longitudinal direction z, into several portions S1, S2, ... each having a cross-sectional area A1, A2 ... with leading edges of predetermined value, said predetermined surface values being decreasing in the longitudinal direction z.
Plus précisément, lesdites portions présentent chacune une surface de bords d’attaque constante, la diminution de ladite surface étant obtenue par une variation d’une portion à l’autre. More precisely, said portions each have a constant leading edge area, the reduction of said area being obtained by a variation from one portion to another.
Fig. 3 schématise une structure S à trois portions S1 , S2, S3, étant précisé que la structure S comprend au moins deux portions et peut comprendre un nombre de portions supérieur. La description ci-dessous faite pour deux portions est Fig. 3 shows schematically a structure S with three portions S1, S2, S3, it being specified that the structure S comprises at least two portions and can comprise a greater number of portions. The description below for two servings is
transposable à un nombre supérieur de portions. transposable to a greater number of portions.
De préférence, lesdites portions S1 , S2,... forment des entités physiques distinctes, formées à partir de feuillards distincts. Par exemple les portions S1 , S2 sont des tapis d’ondes distincts. Avantageusement, les portions de structure sont assemblées entre elles par brasage dans le passage 10. L’une et/ou l’autre desdites portions S1 , S2 peut aussi être formée de plusieurs sous-portions distinctes, de préférence sous forme de tapis d’ondes, assemblées entre elles par brasage dans ledit passage 10. De préférence, une portion S2 agencée en amont d’une autre portion S1 en suivant la direction longitudinale z, de préférence consécutivement, présente une surface de section transversale A2 de bords d’attaque augmentée d’un facteur multiplicateur d’au moins 1 ,3, de préférence compris entre 1 ,5 et 5 par rapport à la surface de section transversale A1 de bords d’attaque de l’autre portion S1. Preferably, said portions S1, S2, ... form distinct physical entities, formed from distinct strips. For example the portions S1, S2 are separate wave mats. Advantageously, the structural portions are assembled together by brazing in the passage 10. One and / or the other of said portions S1, S2 can also be formed of several distinct sub-portions, preferably in the form of a carpet. waves, assembled together by brazing in said passage 10. Preferably, a portion S2 arranged upstream of another portion S1 along the longitudinal direction z, preferably consecutively, has a cross-sectional area A2 of leading edges increased by a multiplying factor of at least 1, 3, preferably between 1, 5 and 5 with respect to the cross-sectional area A1 of the leading edges of the other portion S1.
Un tel coefficient multiplicateur permet d’équilibrer efficacement les pertes de charges subies par le courant réfrigérant diphasique, en particulier lorsque ledit courant s’écoule à travers l’autre portion S1 avec un ratio volumique liquide/gaz inférieur d’au moins 2%, de préférence inférieur de 2 à 20 %, au ratio volumique liquide/gaz du courant s’écoulant dans la portion S2, qui est plus proche de la deuxième extrémité 2b. Il s’agit dans ce cas de ratios volumiques liquide/gaz moyens sur les longueurs de chaque portion considérée.
A noter que, de préférence, le courant réfrigérant diphasique introduit dans l’échangeur de chaleur E2 présente un ratio volumique liquide/gaz compris entre 10 et 100 %, de préférence entre 10 et 60 %, ledit ratio étant défini comme le rapport entre le débit volumique de phase liquide et le débit volumique de phase gazeuse du courant réfrigérant diphasique. Such a multiplying coefficient makes it possible to effectively balance the pressure losses undergone by the two-phase refrigerant current, in particular when said current flows through the other portion S1 with a lower liquid / gas volume ratio of at least 2%, preferably 2 to 20% less than the liquid / gas volume ratio of the stream flowing in the portion S2, which is closer to the second end 2b. In this case, it is a question of average liquid / gas volume ratios over the lengths of each portion considered. Note that, preferably, the two-phase refrigerant stream introduced into the heat exchanger E2 has a liquid / gas volume ratio of between 10 and 100%, preferably between 10 and 60%, said ratio being defined as the ratio between the liquid phase volume flow rate and the gas phase volume flow rate of the two-phase refrigerant stream.
Avantageusement, chaque série de parois de guidage de fluide 121 , 122, 123, 221 , 222, 223 forme une ondulation comprenant une pluralité d’ailettes 123, 223 se succédant suivant la direction latérale y, avec des sommets d’onde 121 , 221 et des bases d’onde 122, 222 reliant alternativement lesdites ailettes 123, 223. Les ailettes se succèdent de préférence périodiquement. Lesdites ondulations présentent des pas p1 , p2 définis comme les distances entre deux ailettes successives d’une même ondulation mesurées suivant la direction latérale y. Pour exprimer les pas p1 et p2 des ondulations, on peut utiliser les relations p1 =25,4/n1 et p2=25,4/n2 avec n1 et n2 représentant respectivement le nombre d’ailettes 123, 223 par pouce, 1 pouce étant égal à 25,4 millimètres, des ondulations, mesuré suivant la direction latérale x. Advantageously, each series of fluid guide walls 121, 122, 123, 221, 222, 223 forms a corrugation comprising a plurality of fins 123, 223 succeeding one another in the lateral direction y, with wave tops 121, 221 and wave bases 122, 222 alternately connecting said fins 123, 223. The fins preferably follow one another periodically. Said corrugations have pitches p1, p2 defined as the distances between two successive fins of the same corrugation measured in the lateral direction y. To express the pitches p1 and p2 of the corrugations, we can use the relations p1 = 25.4 / n1 and p2 = 25.4 / n2 with n1 and n2 respectively representing the number of fins 123, 223 per inch, 1 inch being equal to 25.4 millimeters, corrugations, measured in the lateral x direction.
De préférence, les premières et deuxième parois de guidage de fluide s’étendent parallèlement à la direction longitudinale z. Elles peuvent en outre être agencées parallèlement ou orthogonalement aux plaques 2. Preferably, the first and second fluid guide walls extend parallel to the longitudinal direction z. They can also be arranged parallel or orthogonally to the plates 2.
De préférence, lesdites ondulations présentent des pas croissants suivant la direction longitudinale z. En d’autres termes, les ondulations présentent une densité d’ailettes décroissante suivant la direction longitudinale z. Preferably, said corrugations have increasing pitches in the longitudinal direction z. In other words, the corrugations have a decreasing fin density in the longitudinal direction z.
De façon alternative ou complémentaire, lesdites ondulations présentent des épaisseurs de parois décroissantes suivant la direction longitudinale z. Alternatively or in addition, said corrugations have wall thicknesses which decrease in the longitudinal direction z.
Augmenter l’épaisseur ou réduire le pas d’ailettes permet d’augmenter la surface transversale de bords d’attaque vue par le courant réfrigérant diphasique vers la deuxième extrémité de l’échangeur, ce qui tend à augmenter les pertes de charges de charge, et donc la vitesse d’écoulement dans cette zone. Increasing the thickness or reducing the pitch of the fins makes it possible to increase the transverse surface area of the leading edges seen by the two-phase refrigerant flow towards the second end of the exchanger, which tends to increase the pressure losses of load, and therefore the flow velocity in this zone.
Par exemple, si l’on considère une structure S comprenant une première et une deuxième portions S1 , S2, la première portion S1 étant agencée en aval de la deuxième portion S2, c’est-à-dire plus loin de la deuxième extrémité 2b, les parois de la deuxième portion 221 , 222, 223 ont une deuxième épaisseur e2 supérieure à la première épaisseur e1 des parois 121 , 122, 123 de la première portion S1. Le terme « aval » est utilisé en considérant le sens d’écoulement du courant diphasique 203 dans les portions S1 , S2...
La première portion S1 pourra présenter un premier pas d’ondulation p1 supérieur au deuxième pas d’ondulation p2 de la deuxième portion S2. For example, if we consider a structure S comprising a first and a second portion S1, S2, the first portion S1 being arranged downstream of the second portion S2, that is to say further from the second end 2b , the walls of the second portion 221, 222, 223 have a second thickness e2 greater than the first thickness e1 of the walls 121, 122, 123 of the first portion S1. The term "downstream" is used considering the direction of flow of the two-phase current 203 in the portions S1, S2 ... The first portion S1 may have a first ripple pitch p1 greater than the second ripple pitch p2 of the second portion S2.
En tant qu’ondulations pour les séries de parois de la structure d’échange thermique S, on pourra utiliser les différents types d’ondes mis en œuvre habituellement dans les échangeurs du type à plaques et ailettes brasés. Les ondes pourront être choisies parmi les types d’onde connus tels les ondes droites, les ondes dites à décalage partiel (du type « serrated » en anglais), les ondes à vagues ou arrêtes de hareng (du type « herringbone » en anglais). Ces ondes pourront être perforées ou non. As corrugations for the series of walls of the heat exchange structure S, we can use the different types of waves usually implemented in exchangers of the brazed plate and fin type. The waves can be chosen from known wave types such as straight waves, so-called partially offset waves (of the "serrated" type), wave waves or herringbones (of the "herringbone" type in English). . These waves may or may not be perforated.
Fig. 5 représente un mode de réalisation dans lequel une série de parois de guidage de fluide 121 ,122, 123, qui peuvent constituer une portion S1 de structure, forme une ondulation du type onde droite. Cette série de parois présente une surface A1 de section transversale de bords d’attaque 124. Fig. 5 shows an embodiment in which a series of fluid guide walls 121, 122, 123, which may constitute a portion S1 of the structure, forms a corrugation of the right wave type. This series of walls has a cross-sectional area A1 of leading edges 124.
Fig. 6 et Fig. 7 représentent des modes de réalisation dans lesquels plusieurs séries de parois de guidage de fluide, qui peuvent constituer plusieurs portions de structure S1 , S2, forment des ondes à décalage partiel. Fig. 6 and Fig. 7 show embodiments in which several series of fluid guide walls, which may constitute several portions of structure S1, S2, form partially offset waves.
Comme on le voit sur Fig. 7, la portion S2 comprend plusieurs séries de parois de guidage de fluide 221 i, 222i, 223i, 221 i+1 , 222i+1 , 223i+1 , 221 i+2, 222i+2, 223i+2. Les séries se succèdent suivant la direction longitudinale z et forment chacune une ondulation ayant une direction d’ondulation parallèle à la direction latérale y. Chaque ondulation est décalée d’une distance prédéterminée d2, suivant la direction latérale y, par rapport à une ondulation adjacente. Les ondulations présentent une longueur dite de serration L2 mesurée suivant la direction longitudinale z. As seen in Fig. 7, the portion S2 comprises several series of fluid guide walls 221 i, 222i, 223i, 221 i + 1, 222i + 1, 223i + 1, 221 i + 2, 222i + 2, 223i + 2. The series follow one another in the longitudinal direction z and each form an undulation having a direction of undulation parallel to the lateral direction y. Each corrugation is offset by a predetermined distance d2, in the lateral direction y, with respect to an adjacent corrugation. The corrugations have a so-called tightening length L2 measured in the longitudinal direction z.
Dans le cas d’une onde à décalage partiel, la surface de section transversale A2 des bords d’attaque de la portion S2 correspond à la somme des surfaces de section transversale A2i, A2i+1 , A2i+2, mesurées orthogonalement à la direction In the case of a partially offset wave, the cross-sectional area A2 of the leading edges of the portion S2 corresponds to the sum of the cross-sectional areas A2i, A2i + 1, A2i + 2, measured orthogonally to the direction
longitudinale z et exprimée par mètre de longueur d’échangeur, des bords d’attaque 224i, 224i+1 , 224i+2 de chaque série de parois de guidage. longitudinal z and expressed per meter of heat exchanger length, leading edges 224i, 224i + 1, 224i + 2 of each series of guide walls.
La description ci-dessus est transposable à la portion S1 représentée sur Fig. 6. The above description can be transposed to the portion S1 shown in FIG. 6.
Dans le cadre de l’invention, la variation de la section transversale de bords d’attaque de la structure d’échange S suivant la direction longitudinale z pourra être obtenue par variation d’au moins une dimension caractéristique, telle épaisseur, pas d’onde, longueur de serration... au sein de la structure.
En particulier, cette variation pourra avoir lieu entre des portions de structures du même type. Par exemple, la structure d’échange thermique S pourra comprendre plusieurs portions d’ondes à décalage partiel, la longueur de serration augmentant en direction de la première extrémité. In the context of the invention, the variation of the cross section of the leading edges of the exchange structure S along the longitudinal direction z may be obtained by variation of at least one characteristic dimension, such as thickness, pitch. wave, tightening length ... within the structure. In particular, this variation could take place between portions of structures of the same type. For example, the heat exchange structure S may include several partially offset wave portions, the clamping length increasing towards the first end.
Fig. 6 et Fig. 7 illustrent un tel mode de réalisation dans lequel la structure d’échange thermique S comprend au moins deux portions S1 , S2 sous forme d’ondes à décalage partiel. Avantageusement, la portion S2 agencée en amont de l’autre portion S1 , présente une longueur de serration L2 est inférieure à celle L1 de l’autre portion S1. Cela permet d’agencer plus de bords d’attaque par mètre de longueur d’échangeur du côté de la deuxième extrémité 2b, et donc d’y augmenter la surface transversale de bords d’attaque et les pertes de charge qui en résultent sur le fluide s’écoulant face à ces bords d’attaque. Fig. 6 and Fig. 7 illustrate such an embodiment in which the heat exchange structure S comprises at least two portions S1, S2 in the form of partially offset waves. Advantageously, the portion S2 arranged upstream of the other portion S1, has a clamping length L2 is less than that L1 of the other portion S1. This makes it possible to arrange more leading edges per meter of heat exchanger length on the side of the second end 2b, and therefore to increase the transverse area of the leading edges and the pressure losses which result therefrom on the fluid flowing in front of these leading edges.
De préférence, on choisira une longueur de serration L1 pour l’autre portion S1 supérieure à la longueur de serration L2 de la portion S2 d’un facteur compris entre 1 ,7 et 7, ceci pour une portion S2 agencée en amont à une autre portion S1 , de préférence de façon adjacente. Les longueurs de serration pourront être comprises entre 1 et 15 mm, de préférence entre 3 et 13 mm. Preferably, a clamping length L1 will be chosen for the other portion S1 greater than the clamping length L2 of the portion S2 by a factor of between 1, 7 and 7, this for a portion S2 arranged upstream to another portion S1, preferably adjacent. The clamping lengths may be between 1 and 15 mm, preferably between 3 and 13 mm.
De préférence, les distances de décalage sont comprises entre 1 et 20 mm, de préférence entre 3 et 15 mm. Preferably, the offset distances are between 1 and 20 mm, preferably between 3 and 15 mm.
De préférence, les dimensions caractéristiques des ondes autres que les longueurs de serration, telles que distances de décalage, épaisseur, pas des ondulations... sont identiques au sein de la structure d’échange S. Preferably, the characteristic dimensions of the waves other than the clamping lengths, such as offset distances, thickness, not corrugations ... are identical within the S exchange structure.
On pourra également mettre en œuvre une variation du type d’onde au sein de la structure S pour équilibrer les pertes de charges subies par les fluides frigorigènes sur ces deux portions. Par exemple, agencer une ou plusieurs portions S2, S3 à décalage partiel du côté de la deuxième extrémité et agencer une ou plusieurs portions S1 , S2 sous forme d’onde droite du côté de la première extrémité. Une onde droite introduit en effet moins de bords d’attaque dans le passage et donc moins de pertes de charges. A variation of the wave type can also be implemented within the structure S to balance the pressure drops undergone by the refrigerants on these two portions. For example, arranging one or more portions S2, S3 partially offset on the side of the second end and arranging one or more portions S1, S2 in a right wave form on the side of the first end. A straight wave indeed introduces fewer leading edges into the passage and therefore less pressure drop.
En référence à Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6 ou Fig. 7, notons que pour une structure d’échange thermique S1 ou S2 donnée comprenant des parois de guidage de fluide d’épaisseur e1 ou e2 formant au moins une première ondulation de pas p1 ou p2, de hauteur h1 ou h2, on peut définir les surfaces de section transversale A1 , A2 par mètre de longueur d’échangeur à l’aide des relations suivantes :
Math 1 With reference to Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6 or Fig. 7, note that for a given heat exchange structure S1 or S2 comprising fluid guide walls of thickness e1 or e2 forming at least a first corrugation of pitch p1 or p2, of height h1 or h2, it is possible to define the cross-sectional areas A1, A2 per meter of exchanger length using the following relationships: Math 1
avec Ly la largeur du passage 10 dans lequel s’écoule le courant réfirgérant diphasique et with Ly the width of passage 10 in which the two-phase refirgant current flows and
K1 ou K2 égal à 1 dans le cas où portion S1 ou S2 est une onde droite, c’est- à-dire dont les parois de guidage de fluide forment une ondulation unique, sans décalage, K1 or K2 equal to 1 in the case where portion S1 or S2 is a straight wave, that is to say whose fluid guide walls form a single undulation, without offset,
ou or
K1 = 1000/L1 ou K2=1000/L2 dans le cas où la portion S1 ou S2 est une onde à décalage partiel à plusieurs ondulations décalées, avec L1 ou L2 les longueurs de serration exprimées en millimètres pour S1 ou S2. K1 = 1000 / L1 or K2 = 1000 / L2 in the case where the portion S1 or S2 is a partially offset wave with several offset corrugations, with L1 or L2 the clamping lengths expressed in millimeters for S1 or S2.
Par exemple, pour une onde à décalage partiel S2 dite « 1/8” serrated » (1”=1 pouce= 25,4 mm), on a L2=25,4/8=3,18 mm. Pour une onde à décalage partiel S1 dite « 1/5” serrated » (1”=1 pouce= 25,4 mm), on a L1 =25,4/5=5,08 mm. For example, for a partially offset wave S2 called “1/8” serrated ”(1” = 1 inch = 25.4 mm), we have L2 = 25.4 / 8 = 3.18 mm. For a partial shift wave S1 called “1/5” serrated ”(1” = 1 inch = 25.4 mm), we have L1 = 25.4 / 5 = 5.08 mm.
Avantageusement, le procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures selon l’invention peut mettre en œuvre un ou plusieurs cycles de réfrigération Advantageously, the process for liquefying an hydrocarbon stream according to the invention can implement one or more refrigeration cycles
supplémentaires réalisés en amont du cycle de réfrigération principal décrit précédemment, de façon à réaliser un pré-refroidissement du courant carried out upstream of the main refrigeration cycle described above, so as to pre-cool the stream
d’hydrocarbures. of hydrocarbons.
Fig. 8 schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel comportant un cycle de réfrigération supplémentaire dans lequel le gaz naturel est refroidi jusqu’à son point de rosée à l’aide d’au moins deux niveaux de détente différents pour augmenter l’efficacité du cycle. Ce cycle de réfrigération supplémentaire est opéré au moyen d’un courant réfrigérant supplémentaire dans un échangeur de chaleur supplémentaire E1 , dit échangeur de pré-refroidissement, agencé en amont de l’échangeur de chaleur E2, qui forme alors l’échangeur de liquéfaction. Fig. 8 shows schematically a process for liquefying a stream of hydrocarbons such as natural gas comprising an additional refrigeration cycle in which the natural gas is cooled to its dew point using at least two levels of expansion different to increase cycle efficiency. This additional refrigeration cycle is operated by means of an additional refrigerant stream in an additional heat exchanger E1, called the pre-cooling exchanger, arranged upstream of the heat exchanger E2, which then forms the liquefaction exchanger.
Dans ce mode de réalisation, le courant d’alimentation 1 10 arrive par exemple à une pression comprise entre 4 MPa et 7 MPa et à une température comprise entre 30 °C
et 60 °C. Le courant d’alimentation 1 10 comprenant un mélange d’hydrocarbures tel que le gaz naturel, le courant réfrigérant 202, le courant réfrigérant supplémentaire 30 entrent dans l’échangeur E1 pour y circuler selon des directions parallèles et à co courant dans le sens descendant. In this embodiment, the feed stream 1 10 arrives for example at a pressure of between 4 MPa and 7 MPa and at a temperature of between 30 ° C. and 60 ° C. The feed stream 110 comprising a mixture of hydrocarbons such as natural gas, the refrigerant stream 202, the additional refrigerant stream 30 enter the exchanger E1 to circulate therein in parallel directions and at co-current in the downward direction. .
Un courant d’hydrocarbures 102 refroidi, voire au moins partiellement liquéfié, sort de l'échangeur de pré-refroidissement E1 . De préférence, le courant d’hydrocarbures 102 sort à l’état gazeux ou partiellement liquéfié, par exemple à une température comprise entre - 35 °C et - 70 °C. De préférence, le courant réfrigérant 202 sort totalement condensé de l'échangeur E1 , par exemple à une température comprise entre - 35 °C et - 70 °C. Le courant 102 est ensuite introduit dans l’échangeur E2. Comme on le voit sur Fig. 8, le courant réfrigérant vaporisé sort de l'échangeur E2 pour être comprimé par le compresseur K2 puis refroidi dans l'échangeur de chaleur indirect C2 par échange de chaleur avec un fluide extérieur de refroidissement, par exemple de l'eau ou de l'air. Le deuxième courant réfrigérant issu de l'échangeur C2 est envoyé dans l’échangeur E1 par le conduit 20. A cooled stream of hydrocarbons 102, or even at least partially liquefied, leaves the pre-cooling exchanger E1. Preferably, the hydrocarbon stream 102 exits in the gaseous or partially liquefied state, for example at a temperature between -35 ° C and -70 ° C. Preferably, the refrigerant stream 202 leaves completely condensed from the exchanger E1, for example at a temperature between - 35 ° C and - 70 ° C. The stream 102 is then introduced into the exchanger E2. As seen in Fig. 8, the vaporized refrigerant stream leaves the exchanger E2 to be compressed by the compressor K2 and then cooled in the indirect heat exchanger C2 by heat exchange with an external cooling fluid, for example water or water. air. The second refrigerant stream from exchanger C2 is sent to exchanger E1 via line 20.
Le courant réfrigérant supplémentaire peut être formé par un mélange The additional refrigerant stream can be formed by mixing
d'hydrocarbures tels qu'un mélange d'éthane et de propane, mais peut également contenir du méthane, du butane et/ou du pentane. Les proportions en fraction molaires (%) des composants du premier mélange réfrigérant peuvent être: hydrocarbons such as a mixture of ethane and propane, but may also contain methane, butane and / or pentane. The proportions in molar fraction (%) of the components of the first cooling mixture can be:
Ethane: 30 % à 70 % Ethane: 30% to 70%
Propane: 30 % à 70 % Propane: 30% to 70%
Butane: 0 % à 20 % Butane: 0% to 20%
Dans le procédé décrit par Fig. 8, le courant réfrigérant 202 n'est pas scindé en fractions séparées, mais, pour optimiser l'approche dans l'échangeur E2, le courant réfrigérant peut également être séparé en deux ou trois fractions, chaque fraction étant détendue à un niveau de pression différent puis envoyé à différents étages du compresseur K2. In the method described by FIG. 8, the refrigerant stream 202 is not split into separate fractions, but, to optimize the approach in exchanger E2, the refrigerant stream can also be split into two or three fractions, each fraction being expanded to a pressure level different then sent to different stages of compressor K2.
Dans l’échangeur supplémentaire E1 , qui est aussi du type à plaques et ailettes, au moins deux courants partiels issus du courant réfrigérant supplémentaire sont soutirés de l’échangeur en deux points de sortie distincts puis détendus à des niveaux de pression différents, formant ainsi au moins un premier et un deuxième fluides frigorigènes distincts F1 et F2 réintroduits dans l’échangeurs par des entrées 31 , 32 distinctes alimentant sélectivement des passages frigorigènes
supplémentaires pour y être vaporisés avec le courant d’alimentation, le courant réfrigérant et une partie du courant réfrigérant supplémentaire. In the additional exchanger E1, which is also of the plate and fin type, at least two partial streams from the additional refrigerant stream are withdrawn from the exchanger at two separate outlet points and then expanded to different pressure levels, thus forming at least a first and a second distinct refrigerant fluids F1 and F2 reintroduced into the exchanger through separate inlets 31, 32 selectively supplying refrigerant passages to be vaporized therein with the feed stream, the refrigerant stream and part of the additional refrigerant stream.
Dans le mode de réalisation selon Fig. 8, trois fractions, également appelées débits ou courants partiels, 301 , 302, 303 du courant réfrigérant supplémentaire 30 en phase liquide sont successivement soutirées. Les fractions sont détendues à travers les organes de détente, tels des vannes, des turbines ou des combinaisons de vannes et de turbines, V11 , V12 et V13 à trois niveaux de pression différents, formant un fluide frigorigène F1 , un deuxième fluide frigorigène F2 et un troisième fluide frigorigène F3. Ces trois fluides frigorigènes F1 , F2, F3 sont réintroduits dans l’échangeur supplémentaire E1 puis vaporisés. In the embodiment according to FIG. 8, three fractions, also called partial flows or streams, 301, 302, 303 of the additional refrigerant stream 30 in the liquid phase are successively withdrawn. The fractions are expanded through the expansion members, such as valves, turbines or combinations of valves and turbines, V11, V12 and V13 at three different pressure levels, forming a refrigerant F1, a second refrigerant F2 and a third refrigerant F3. These three refrigerants F1, F2, F3 are reintroduced into the additional exchanger E1 and then vaporized.
Les trois fluides frigorigènes F1 , F2, F3 vaporisés sont envoyés à différents étages du compresseur K1 , comprimés puis condensés dans le condenseur C1 par échange de chaleur avec un fluide extérieur de refroidissement, par exemple de l'eau ou de l'air. Le premier courant réfrigérant issu du condenseur C1 est envoyé dans l'échangeur supplémentaire E1 par le conduit 30. La pression du premier courant réfrigérant à la sortie du compresseur K1 peut être comprise entre 2 MPa et 6 MPa. La température du courant réfrigérant supplémentaire à la sortie du condenseur C1 peut être comprise entre 10 °C et 45°C. The three vaporized refrigerants F1, F2, F3 are sent to different stages of compressor K1, compressed and then condensed in condenser C1 by heat exchange with an external cooling fluid, for example water or air. The first refrigerant stream issuing from the condenser C1 is sent to the additional exchanger E1 via the pipe 30. The pressure of the first refrigerant stream at the outlet of the compressor K1 can be between 2 MPa and 6 MPa. The temperature of the additional refrigerant stream at the outlet of the condenser C1 can be between 10 ° C and 45 ° C.
De préférence, les fluides frigorigènes F1 , F2, F3 s’écoulent depuis une extrémité 1 b de l’échangeur supplémentaire E1 vers une autre extrémité 1 a suivant la direction longitudinale z, dans le sens ascendant. L’extrémité 1 b correspond au bout froid de l’échangeur supplémentaire E1 où le fluide frigorigène F1 est introduit à la Preferably, the refrigerants F1, F2, F3 flow from one end 1b of the additional exchanger E1 to another end 1a in the longitudinal direction z, in the upward direction. End 1b corresponds to the cold end of the additional exchanger E1 where the refrigerant F1 is introduced to the
température la plus basse des températures de l’échangeur supplémentaire E1. Avantageusement, l’échangeur E1 comprend au moins un des passages pour l’écoulement des fluides frigorigènes du cycle de pré-refroidissement dans lequel on agence au moins une structure d’échange thermique supplémentaire présentant une surface de section transversale de bords d’attaque qui décroît suivant la direction z. Ladite structure d’échange supplémentaire peut comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques décrites précédemment. lowest temperature of the additional heat exchanger E1. Advantageously, the exchanger E1 comprises at least one of the passages for the flow of refrigerants from the pre-cooling cycle in which at least one additional heat exchange structure is arranged having a cross-sectional area of leading edges which decreases in the z direction. Said additional exchange structure may have one or more of the characteristics described above.
L’agencement de structures d’échange présentant différentes surfaces de section transversales de bords d’attaque permet d’équilibrer les pertes de charges subies par les fluides frigorigènes le long des passages frigorigènes, tout en gardant un niveau raisonnable de pertes de charge à l’autre extrémité 1 a de l’échangeur E1. Les
performances énergétiques de l’installation industrielle intégrant l’échangeur E1 s’en trouvent encore améliorées. The arrangement of exchange structures having different leading edge cross-sectional areas makes it possible to balance the pressure drops undergone by the refrigerants along the refrigerant passages, while keeping a reasonable level of pressure drops at the temperature. 'other end 1 a of the exchanger E1. The The energy performance of the industrial installation incorporating the E1 exchanger is further improved.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples particuliers décrits et illustrés dans la présente demande. D’autres variantes ou modes de réalisation à la portée de l’homme du métier peuvent aussi être envisagés sans sortir du cadre de l’invention. Par exemple d’autres configurations d’injection et de d’extraction des fluides de l’échangeur, d’autre sens et directions d’écoulement des fluides, d’autres types de fluides, d’autres types de structures d’échange thermique... sont bien sûr envisageables, selon les contraintes imposées par le procédé à mettre en œuvre.
Of course, the invention is not limited to the specific examples described and illustrated in the present application. Other variants or embodiments within the reach of those skilled in the art can also be envisaged without departing from the scope of the invention. For example other configurations of injection and extraction of fluids from the exchanger, other direction and directions of flow of fluids, other types of fluids, other types of heat exchange structures ... are of course possible, depending on the constraints imposed by the process to be implemented.